基于FPGA的軟硬件協同仿真加速技術

　　1 前言

　　在數字集成電路的設計中，當設計工程師在用硬件描述語言（HDL：Hardware Description Language）完成設計之后，需要通過仿真來檢驗設計是否滿足預期的功能。在仿真中，設計工作師需要為設計項目建立一個測試平臺，這個測試平臺為設計項目提供盡可能完備的測試激勵，并提供可供觀測的輸出響應，根據這些輸出響應信息，設計工程師便可以判斷設計項目是否滿足預期的功能。在進行仿真工程時，設計工程師一般先對各個功能模塊進行仿真驗證，全部通過后再對整個系統設計進行仿真。當設計工程師在仿真中發現錯誤，就需要進行仔細調試，找出錯誤發生的原因并加以修改。

　　隨著系統設計的復雜性不斷增加，當設計集成度超過百萬門后，設計正確性的驗證比設計本身還要費勁，系統仿真的實時性很難滿足要求。在針對復雜電路進行軟件仿真時，系統的仿真時間往往需要占據大部分的設計時間。我們常常會為了仿真電路的某些功能，而不得不等上幾個小時甚至幾天。如何提高仿真效率，減少仿真復雜度，縮短仿真時間，將成為系統設計中的關鍵一環.利用基于C語言的設計和驗證方法來代替傳統的基于HDL語言設計的仿真，從而加快仿真速度，但是這種方法只適用設計的早期階段。為了方便而快速的實現仿真驗證，及時得到測試數據，本文提出運用硬件加速的思想，采用硬件仿真平臺和軟件仿真平臺相互通信，即通過主機上運行的仿真軟件與硬件平臺相結合，實現軟硬件協同加速仿真，仿真速度可以提高30倍。

　　2 軟硬件協同加速仿真

　　在傳統的設計與驗證過程中，設計工程師首先將復雜的系統逐模塊的用硬件描述語言表述，待所有模塊在仿真器上單獨驗證通過后，通過模塊間整合進行局部和整個設計的仿真，如圖1所示。

　　圖1 設計驗證進程

　　假設模塊Master和模塊Slave是整個復雜設計中的一部分。模塊Master負責把輸入數據進行數據處理，隨后把處理后數據發送到下一個模塊 Slave，Slave模塊完成一個功能復雜的算法運算，運算結束后把結果返回到模塊Master中，進行下一步操作，設計框圖如圖2所示。

　　圖2 設計例子框圖

　　設計工程師在完成模塊Master和模塊Slave的HDL設計后，用HDL 仿真器軟件分別對兩個模塊進行仿真驗證，模塊Master的仿真時間花費了五分鐘，模塊Slave花費了十五分鐘，兩個模塊進行聯合仿真花費了二十分鐘。如果設計不正確，則要對設計進行重新修改和仿真直到驗證通過為止，重復的仿真工作將要花費幾天甚至幾星期。為了縮短仿真時間，本文提出利用硬件加速的思想，對設計進行軟硬件協同加速仿真。模塊Master和模塊Slave的功能首先分別在軟件上仿真驗證通過，待模塊Slave經綜合實現后，把模塊 Slave下載到硬件中，模塊Master仍然運行在軟件上，通過HDL仿真工具提供的外部接口實現軟硬件間的數據交互，進行模塊Slave和模塊 Master的聯合仿真驗證，一旦仿真通過，把模塊Master和模塊Slave都放入硬件中進行加速仿真驗證，這時兩個模塊的聯合仿真時間將大大縮短。

　　圖3加速仿真

　　本文描述的加速仿真技術實現框圖如圖3所示。DUT（Design Under Test）由可綜合的Verilog HDL語言設計完成。DUT綜合實現后，下載到現場可編程門陣列（FPGA：Field Programmable Gate Array）中進行加速仿真驗證。運行在HDL 仿真器上的測試文件TestBench給DUT發送測試激勵并響應輸出信息，FPGA與HDL仿真器間的信息交換由仿真器提供的Verilog 編程語言接口（PLI：Programming Language Interface）來實現。Verilog PLI為Verilog代碼調用C語言編寫的函數提供了一種機制，它提供了C語言動態鏈接程序與仿真器的接口，可以實現C語言和Verilog語言的協同仿真。由于C語言在過程控制方面比Verilog語言有優勢，可以用C程序來產生測試激勵和讀取信號的值。以Windows平臺為例，用戶通過運用C語言和Verilog PLI編寫接口函數，編譯代碼并生成動態鏈接庫（DLL：Dynamic Link Library），然后在由Verilog語言編寫的TestBench中調用這些函數。在執行TestBench文件進行仿真時，TestBench中的C函數一旦鏈接成功，C函數將詳細信息傳遞給HDL仿真器，執行C函數就可以像仿真Verilog代碼一樣進行仿真。這樣，設計工程師利用 Verilog PLI接口創建自己的系統調用任務和系統函數，就可以通過C語言編程對DUT進行輔助仿真，達到Verilog語法所不能實現的功能。